全尾砂膠結(jié)充填體試樣強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)試驗(yàn)研究

徐淼斐，金愛兵，郭利杰，劉光生，許文滸

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.北京礦冶研究總院，北京 100160；3.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

全尾砂膠結(jié)充填體試樣強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)試驗(yàn)研究

徐淼斐1，2，金愛兵1，郭利杰2，劉光生2，許文滸3

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.北京礦冶研究總院，北京 100160；3.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

摘要：通過不同尺度的全尾砂膠結(jié)充填體配比試驗(yàn)，研究相同質(zhì)量濃度、砂灰比條件下實(shí)驗(yàn)室充填體試樣強(qiáng)度與試樣形狀和尺寸的關(guān)系。結(jié)果表明：相同濃度與砂灰比的條件下，70.7mm×70.7mm×70.7mm立方體試樣的強(qiáng)度最大，76.2mm×152.4mm圓柱體試樣強(qiáng)度次之，50.8mm×101.6mm圓柱體試樣強(qiáng)度最小。采用線性擬合方法建立了立方體試樣與?50.8mm圓柱體試樣，?76.2mm圓柱體試樣與?50.8mm圓柱體試樣之間的強(qiáng)度尺寸效應(yīng)換算函數(shù)，對(duì)于探討膠結(jié)充填體尺寸對(duì)強(qiáng)度的影響，統(tǒng)一充填配比試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，提高充填試驗(yàn)的準(zhǔn)確性具有重要借鑒意義。

關(guān)鍵詞：膠結(jié)充填；充填體強(qiáng)度；尺寸效應(yīng)；超聲波波速

尺寸效應(yīng)是指材料的性能參數(shù)在現(xiàn)實(shí)情況下不再是一個(gè)常數(shù)，而是隨著材料的幾何尺寸的變化而變化[1]。目前尺寸效應(yīng)研究在混凝土和巖石等材料方面已經(jīng)較為深入，并取得了較為豐富的研究成果。蘇捷[2]對(duì)混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體、柱體單軸抗壓進(jìn)行了尺寸效應(yīng)試驗(yàn)和棱柱體彎折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)試驗(yàn)。錢覺時(shí)等[3]研究了不同實(shí)驗(yàn)條件下混凝土試樣強(qiáng)度尺寸效應(yīng)問題，并提出采用數(shù)值方法輔助解決混凝土力學(xué)行為尺寸效應(yīng)問題的觀點(diǎn)。楊圣奇等[4]在對(duì)不同高度的等直徑大理巖石進(jìn)行尺寸效應(yīng)研究后認(rèn)為端部效應(yīng)是引起巖石材料強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)的關(guān)鍵因素。Willam.J等[5]在研究實(shí)驗(yàn)室條件下巖石和膠結(jié)脆性材料的試樣尺寸對(duì)強(qiáng)度和其他性能的影響時(shí)認(rèn)為，MFSL(the multi-fractal scaling law)在模擬和預(yù)測(cè)強(qiáng)度-尺寸關(guān)系時(shí)具有較好的擬合效果，同時(shí)對(duì)于巖石和膠結(jié)脆性材料，強(qiáng)度隨試樣直徑增大將逐漸達(dá)到一個(gè)最小值。

當(dāng)前針對(duì)充填體強(qiáng)度的影響因素研究多集中于膠結(jié)劑性質(zhì)及含量(料漿配比)、料漿濃度、養(yǎng)護(hù)條件及養(yǎng)護(hù)期等[6-9]，在充填體尺寸效應(yīng)方面的研究較少。郭利杰[10]針對(duì)廢石尾砂膠結(jié)充填體試樣強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)進(jìn)行了初步研究，并給出一定適用范圍內(nèi)的充填體尺寸效應(yīng)換算系數(shù)。Bayram Ercikdi等[11]在分析尺寸分別為5cm×10cm和10cm×20cm的膠結(jié)充填體試樣的強(qiáng)度性能和超聲波波速時(shí)發(fā)現(xiàn)膠結(jié)充填體強(qiáng)度存在十分明顯的尺寸效應(yīng)。Hassani等[12]在研究尾砂與砂混合膠結(jié)充填體試樣尺寸對(duì)強(qiáng)度的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)圓柱體直徑在15.2cm以內(nèi)時(shí)試樣強(qiáng)度隨尺寸增大而增大，隨后隨尺寸增大而減小?？梢姵涮铙w尺寸效應(yīng)機(jī)理較為復(fù)雜，并不能簡(jiǎn)單地采用傳統(tǒng)的尺寸效應(yīng)理論進(jìn)行分析。目前國(guó)內(nèi)礦山膠結(jié)充填體配比試驗(yàn)多參考混凝土試樣制備標(biāo)準(zhǔn)采用邊長(zhǎng)為70.7mm的立方體試樣[13-16]，而國(guó)外的相關(guān)研究則以高徑比為2，直徑為72～152mm圓柱體試樣為主[17-19]，探討這種差異性既有助于辨識(shí)國(guó)內(nèi)外采礦學(xué)界對(duì)充填體作用機(jī)理不同的理解，也有助于探究不同形狀尺寸試樣的充填體強(qiáng)度特性的差別。

通過借鑒混凝土和巖石力學(xué)的尺寸效應(yīng)研究方法，本文采用70.7mm×70.7mm×70.7mm立方體、?76.2mm×152.4mm圓柱體和?50.8mm×101.6mm圓柱體3種試樣尺寸，對(duì)不同濃度、砂灰比條件下養(yǎng)護(hù)28d的充填體試樣進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)和超聲波波速測(cè)驗(yàn)，探討了對(duì)試樣尺寸和形狀對(duì)充填體試樣單軸抗壓強(qiáng)度的影響，初步建立了充填配比實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和不同尺寸的試樣強(qiáng)度之間的換算關(guān)系，可為后續(xù)充填體尺寸效應(yīng)的深入研究提供參考。

1試驗(yàn)方案及結(jié)果討論

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料：水泥、全尾砂和水。尾砂采用某銅礦的全尾砂，其物理力學(xué)參數(shù)和顆粒級(jí)配分別見表1和表2。水泥采用32.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥。

表1　全尾砂物理力學(xué)參數(shù)

表2　全尾砂粒級(jí)組成

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

考慮到當(dāng)前國(guó)內(nèi)外充填配比實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀，本文采用70.7mm×70.7mm×70.7mm、?50.8mm×101.6mm和?76.2mm×152.4mm 3種尺寸進(jìn)行充填體制備與強(qiáng)度試驗(yàn)。

充填體的配比參數(shù)主要包括料漿的砂灰比(即灰砂比的倒數(shù))與質(zhì)量濃度。其砂灰比分別為：4、6、8、10，質(zhì)量濃度分別為：65%、68%、70%和72%。每組相同參數(shù)的試樣個(gè)數(shù)為3個(gè)，以3個(gè)試樣強(qiáng)度的平均值作為最終強(qiáng)度值，試驗(yàn)共需澆筑試樣為144個(gè)。

試樣制備：① “四分法”取樣。在從砂堆中取樣時(shí)，將砂堆攪拌均勻后均分成四部分，再依順序取樣；②攪拌。先人工干式攪拌，后使用攪拌機(jī)進(jìn)行濕式攪拌，攪拌采用JJ-15型行星式水泥攪拌機(jī)，攪拌時(shí)間為7 min；③澆筑及脫模。澆筑采用人工邊攪拌邊澆筑的方式，依照一定順序?qū)ν唤M3個(gè)試樣進(jìn)行澆筑。澆筑完成后，料漿靜置48h后脫模。

試塊養(yǎng)護(hù)：養(yǎng)護(hù)條件為：濕度≥90%，溫度為20±1℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28天。

強(qiáng)度測(cè)試：采用YAW-600微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)。

1.3試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)3種充填體進(jìn)行了單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)后，結(jié)果見圖1。當(dāng)濃度一定時(shí)，3種不同形狀和尺寸的充填體試樣的強(qiáng)度值均隨砂灰比的增大而減小。保持濃度與砂灰比不變時(shí)，立方體的強(qiáng)度值最大，底面直徑為76.2mm的圓柱體強(qiáng)度值次之，底面直徑為50.8mm的圓柱體強(qiáng)度值最小，隨著濃度不斷增大，這種強(qiáng)度差異性更加明顯。

1.4結(jié)果討論

1.4.1立方體與圓柱體之間的強(qiáng)度尺寸效應(yīng)

目前，對(duì)巖土材料強(qiáng)度尺寸效應(yīng)機(jī)理的分析主要有2類：一是源于材料內(nèi)部的微觀非均質(zhì)性，二是試樣受壓時(shí)的端部約束，材料強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)通常是這兩種影響因素的綜合作用。由于水泥水化反應(yīng)的固結(jié)充填作用與顆粒沉降的重力壓密作用，充填體僅存在部分因人工攪拌殘留的孔隙。通常情況下，孔隙率越小則密實(shí)程度越好，材料的強(qiáng)度也越高，反之則越低，而超聲波在固體內(nèi)部的傳播速度與其密實(shí)性存在正相關(guān)關(guān)系[22]。本文采用超聲回彈綜合測(cè)強(qiáng)法測(cè)定了立方體與?50.8mm圓柱體超聲波波速，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，在其它條件一定時(shí)，立方體試樣的超聲波波速均小于?50.8mm圓柱體，即立方體試樣的密實(shí)性低于?50.8mm圓柱體，說明在不考慮立方體形狀的應(yīng)力集中對(duì)強(qiáng)度的影響時(shí)，材料內(nèi)部的微觀非均質(zhì)性并不是造成兩者強(qiáng)度差異的主要原因。

圖1　不同試樣尺寸的充填體強(qiáng)度對(duì)比圖

圖2　立方體與小圓柱體超聲波波速對(duì)比圖

在立方體試樣單軸受壓過程中，試樣應(yīng)處于一維應(yīng)力狀態(tài)，但試樣與剛性墊塊之間的摩擦效應(yīng)使試樣兩端形成三維應(yīng)力區(qū)，約束了試樣受壓產(chǎn)生的泊松比效應(yīng)，受壓產(chǎn)生的裂紋沿試樣側(cè)面向中部迅速擴(kuò)展而不沿軸向貫穿試樣，在側(cè)面形成整體鱗片狀剝落，內(nèi)部主體則保持一定的完整性，在一定程度上提高了試樣承壓能力[4，20]。

由于圓柱體高徑比為2，試樣中部應(yīng)力區(qū)接近為一維應(yīng)力分布，端部效應(yīng)可忽略不計(jì)[4，21]，因此在其受壓時(shí)出現(xiàn)典型的沿試樣軸向的“Y”型或直線型貫穿劈裂破壞。

1.4.2圓柱體之間的強(qiáng)度尺寸效應(yīng)

兩種圓柱體試樣的超聲波波速測(cè)試結(jié)果見圖3。由于?76.2mm圓柱體尺寸更大，在固結(jié)過程中其內(nèi)部顆粒受到上部顆粒的重力壓密作用更加明顯，強(qiáng)度也大于?50.8mm圓柱體。

由圖3可知，當(dāng)濃度為65%時(shí)，不同尺寸圓柱體的波速值較為接近，且?76.2mm圓柱體的波速略低于?50.8mm圓柱體，說明當(dāng)料漿濃度較低時(shí)，料漿的重力壓密作用不明顯，也造成兩者之間的強(qiáng)度值較為接近(圖1(a)、圖1(b))。隨著料漿濃度的增大，?76.2mm圓柱體的波速值逐漸大于?50.8mm圓柱體。當(dāng)濃度達(dá)到72%時(shí)，?76.2mm圓柱體的波速值已遠(yuǎn)大于?50.8mm圓柱體，這是因?yàn)闈舛仍龃笫沟昧蠞{重力壓密作用更加明顯，使?76.2mm的圓柱體的密實(shí)程度比?50.8mm圓柱體更好，強(qiáng)度值也更高。

2不同尺寸之間的充填體強(qiáng)度關(guān)系模型

水泥含量是影響膠結(jié)充填體強(qiáng)度的關(guān)鍵性因素，料漿濃度是次影響因素[23-24]。依據(jù)上述對(duì)試樣形狀和尺寸對(duì)強(qiáng)度影響機(jī)理的分析，并考慮?50.8mm×101.6mm圓柱體在消除端部效應(yīng)和減少原料使用量方面具有的優(yōu)勢(shì)，本文以該尺寸的試樣強(qiáng)度為基準(zhǔn)，采用線性擬合方法建立同一濃度不同砂灰質(zhì)量比條件下，其余兩種試樣強(qiáng)度與?50.8mm圓柱體強(qiáng)度的函數(shù)換算關(guān)系(圖4和圖5)和不同尺寸之間的充填體強(qiáng)度換算函數(shù)(表3和表4)。

表3　強(qiáng)度換算函數(shù)關(guān)系及擬合分析表

表4　強(qiáng)度換算函數(shù)關(guān)系及擬合分析表

從圖4和表3的結(jié)果可知，當(dāng)質(zhì)量濃度一定時(shí)，不同砂灰質(zhì)量比的?50.8mm圓柱體與立方體試樣的強(qiáng)度呈線性關(guān)系，且線性擬合較好。

由圖5和表4可知，在一定濃度不同砂灰比的條件下，不同圓柱體之間的強(qiáng)度換算也呈線性關(guān)系且擬合度較好。需要注意的是，本文主要探討的是小尺度條件下尺寸對(duì)充填體試樣的強(qiáng)度影響，對(duì)于大尺寸充填體的強(qiáng)度尺寸效應(yīng)問題則有待進(jìn)一步研究。

圖3　圓柱體之間的超聲波波速對(duì)比圖

圖4　立方體與圓柱體強(qiáng)度換算函數(shù)線性擬合圖

圖5　強(qiáng)度換算函數(shù)關(guān)系及擬合分析表(76.2mm圓柱體與50.8mm圓柱體)

3結(jié)論

1)在相同質(zhì)量濃度和砂灰比條件下，立方體試樣的充填體強(qiáng)度最大，高徑比為2，?76.2mm的圓柱體試樣強(qiáng)度次之，?50.8mm的圓柱體試樣強(qiáng)度最小。

2)對(duì)于立方體試樣，端部效應(yīng)明顯，使其強(qiáng)度大于圓柱體試樣。對(duì)于高徑比為2的圓柱體試樣，?76.2mm的圓柱體強(qiáng)度較大，這是由較大尺寸的試樣在澆筑過程中，料漿顆粒沉降時(shí)受到的重力壓密作用更大，從而使密實(shí)程度大于較小尺寸充填體造成的。3)一定質(zhì)量濃度不同砂灰比條件下，不同形狀和尺寸的充填體試樣強(qiáng)度存在高度線性的換算關(guān)系，建立了立方體試樣與圓柱體試樣的強(qiáng)度以及不同尺寸圓柱體試樣之間的強(qiáng)度換算函數(shù)。

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Sample size effect on strength of full tailings cemented backfill

XU Miao-fei1，2，JIN Ai-bing1，GUO Li-jie2，LIU Guang-sheng2，XU Wen-hu3

(1.School of Civil & Environmental Engineering，University of Science & Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy，Beijing 100160，China；3.School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，China)

Abstract:This paper presents size effect in the strength of cemented backfill in laboratory testing.The result of test showed that：when concentration and tailings cement mass ratio remained in consensus，the cubes were observed to produce consistently higher strengths than the cylinders，while the 50.8mm×101.6mm cylinders samples possessed less strengths than the 76.2mm×152.4mm samples.Using the method of linear approximation，two size effect conversion functions of the strengths between the cubes and the 50.8mm×101.6mm cylinders，and also between the cylinders were established，which can be a new trigger point of researching size effect in strength of cement backfill and a benefit of the testing standards unification.

Key words：cemented backfill；filling strength；size effect；ultrasonic wave velocity

收稿日期：2015-06-07

中圖分類號(hào)：TD853

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4051(2016)05-0087-06